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为什么我的MergeSort在Python中这么慢?

algorithm

我在理解这种行为时遇到了一些麻烦。我正在使用timeit-module测量执行时间,并获得 10000 个周期的以下结果:

  • 合并: 1.22722930395
  • 气泡:0.810706578175
  • 选择:0.469924766812

这是我的MergeSort代码:

def mergeSort(array):
    if len(array) <= 1:
        return array
    else:
        left = array[:len(array)/2]
        right = array[len(array)/2:]
        return merge(mergeSort(left),mergeSort(right))

def merge(array1,array2):
    merged_array=[]
    while len(array1) > 0 or len(array2) > 0:

        if array2 and not array1:
            merged_array.append(array2.pop(0))

        elif (array1 and not array2) or array1[0] < array2[0]:
            merged_array.append(array1.pop(0))

        else:
            merged_array.append(array2.pop(0))
    return merged_array

编辑:

我已经更改了列表操作以使用指针,并且我的测试现在可以处理从1000到1000的1000个随机数的列表。(顺便说一句:我在这里只更改了10个周期)

结果:

  • 合并: 0.0574434420723
  • 气泡:1.74780097558
  • 选择:0.362952293025

这是我重写的合并定义:

    def merge(array1, array2):
        merged_array = []
        pointer1, pointer2 = 0, 0
        while pointer1 < len(array1) and pointer2 < len(array2):
            if array1[pointer1] < array2[pointer2]:
                merged_array.append(array1[pointer1])
                pointer1 += 1
            else:
                merged_array.append(array2[pointer2])
                pointer2 += 1
        while pointer1 < len(array1):
            merged_array.append(array1[pointer1])
            pointer1 += 1

        while pointer2 < len(array2):
            merged_array.append(array2[pointer2])
            pointer2 += 1

        return merged_array

现在似乎工作得很好:)


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2020-07-28

共1个答案

小编典典

对于初学者: 我无法在100个周期和大小为10000
列表上重现您的计时结果。timeit此答案中讨论的所有实现(包括Bubblesort
您的原始代码段)的详尽基准测试都作为要点在此处发布。对于单次运行的平均持续时间,我发现以下结果:

  • Python的本机(Tim)排序:0.0144600081444
  • 泡泡排序:26.9620819092
  • (您的)原始合并排序:0.224888720512

现在,为了使您的功能更快,您可以做一些事情。

  • 编辑 :好吧,显然,我错了(感谢cwillu)。长度计算在python中采用O(1)。但是到处删除无用的计算仍然会改善一些情况(原始Mergesort:0.224888720512,无长度Mergesort:0.195795390606):
        def nolenmerge(array1,array2):
        merged_array=[]
        while array1 or array2:
            if not array1:
                merged_array.append(array2.pop(0))
            elif (not array2) or array1[0] < array2[0]:
                merged_array.append(array1.pop(0))
            else:
                merged_array.append(array2.pop(0))
        return merged_array

    def nolenmergeSort(array):
        n  = len(array)
        if n <= 1:
            return array
        left = array[:n/2]
        right = array[n/2:]
        return nolenmerge(nolenmergeSort(left),nolenmergeSort(right))
  • 其次,如该答案所示,它 pop(0) 是线性的。将合并重写到pop()最后
        def fastmerge(array1,array2):
        merged_array=[]
        while array1 or array2:
            if not array1:
                merged_array.append(array2.pop())
            elif (not array2) or array1[-1] > array2[-1]:
                merged_array.append(array1.pop())
            else:
                merged_array.append(array2.pop())
        merged_array.reverse()
        return merged_array

这又是更快:无镜头合并:0.195795390606,无镜头合并+快速合并:0.126505711079

  • 第三- 仅当您使用的是进行尾部调用优化的语言时,这才是有用的 ,没有它,这是一个坏主意 -合并到的调用merge不是尾部递归的;它同时呼吁(mergeSort left)(mergeSort right)递归同时有呼叫剩下的工作(merge)

但是,您可以使用CPS进行合并尾递归(如果不执行tco,即使是适度的列表也将耗尽堆栈大小):

        def cps_merge_sort(array):
        return cpsmergeSort(array,lambda x:x)

    def cpsmergeSort(array,continuation):
        n  = len(array)
        if n <= 1:
            return continuation(array)
        left = array[:n/2]
        right = array[n/2:]
        return cpsmergeSort (left, lambda leftR:
                             cpsmergeSort(right, lambda rightR:
                                          continuation(fastmerge(leftR,rightR))))

完成此操作后,您可以 手工 执行TCO
以将通过递归完成的调用堆栈管理推迟到正常功能的while循环中(蹦床,例如,此处进行了解释,最初是由Guy
Steele造成的)。 Trampolining和CPS可以很好地合作

您编写了一个thunk函数,该函数“记录”并延迟了应用程序:它接受一个函数及其参数,然后返回一个函数,该函数返回(该原始函数应用于这些参数)。

    thunk = lambda name, *args: lambda: name(*args)

然后,您编写一个蹦床来管理对thunk的调用:它将应用thunk,直到thunk返回结果(而不是另一个thunk)

    def trampoline(bouncer):
    while callable(bouncer):
        bouncer = bouncer()
    return bouncer

然后剩下的就是从原始CPS函数“冻结”(thunk)所有递归调用,以使蹦床按正确的顺序解开它们。现在,您的函数在每次调用时都返回一个thunk,而不进行递归(并丢弃其自己的帧):

        def tco_cpsmergeSort(array,continuation):
        n  = len(array)
        if n <= 1:
            return continuation(array)
        left = array[:n/2]
        right = array[n/2:]
        return thunk (tco_cpsmergeSort, left, lambda leftR:
                      thunk (tco_cpsmergeSort, right, lambda rightR:
                             (continuation(fastmerge(leftR,rightR)))))

    mycpomergesort = lambda l: trampoline(tco_cpsmergeSort(l,lambda x:x))

不幸的是,这 进展得不 那么快
(递归mergesort:0.126505711079,此修订版本:0.170638551712)。好的,我猜想
递归合并排序算法的堆栈膨胀实际上是适度的
:只要您离开数组切片递归模式中最左边的路径,该算法就会开始返回(并删除帧)。因此,对于10K大小的列表,您获得的函数堆栈最多为log_2(10000)=14 …相当适中。

您可以以此SO回答的名义做一些涉及堆栈式TCO消除的工作:

    def leftcomb(l):
        maxn,leftcomb = len(l),[]
        n = maxn/2
        while maxn > 1:
            leftcomb.append((l[n:maxn],False))
            maxn,n = n,n/2
        return l[:maxn],leftcomb

    def tcomergesort(l):
        l,stack = leftcomb(l)
        while stack: # l sorted, stack contains tagged slices
            i,ordered = stack.pop()
            if ordered:
                l = fastmerge(l,i)
            else:
                stack.append((l,True)) # store return call
                rsub,ssub = leftcomb(i)
                stack.extend(ssub) #recurse
                l = rsub
        return l

但这 只会加快一点点的速度(trampolinedmergesort:0.170638551712,此基于堆栈的版本:0.144994809628)。显然,在原始合并类型的递归调用中,构建堆栈的python相当便宜。

最终结果?在我的机器上(Ubuntu natty的股票Python 2.7.1+),平均运行时间(在100次运行中-
除Bubblesort外,列表大小为10000,包含大小为0-10000000的随机整数)为:

  • Python的本机(Tim)排序:0.0144600081444
  • 泡泡排序:26.9620819092
  • 原始合并排序:0.224888720512
  • 无镜头合并排序:0.195795390606
  • 无镜头合并+快速合并:0.126505711079
  • 践踏CPS Mergesort + fastmerge:0.170638551712
  • 基于堆栈的mergesort + fastmerge:0.144994809628
2020-07-28